导电聚吡咯材料腐蚀失效的电化学机制及其动力学规律研究

Conductive polypyrrole (PPy), which has similar conductivity and electroactivity of metals, is one of the most extensively studied and used conductive polymers. However, the corrosion failure of PPy in service environment is still the main problem and challenge for its applications. Latest researches find that in some electrolyte solutions the electrochemical mechanism dominates the PPy corrosion process rather than the chemical mechanism. In this project following researches are performed based on the theory of corrosion electrochemistry: (1) The mechanism and necessary conditions for the formation and persistence of corrosion cells on PPy surface in electrolyte solutions; (2) The effect of electrochemical processes on the PPy corrosion，the mechanism involved and kinetics of the PPy corrosion process; (3) The effects of PPy states, media conditions and polarization states on the PPy corrosion process and its kinetics; (4) Difference between the electrochemical mechanism for the PPy corrosion and that for the corrosion of metals. In this study, the corrosion electrochemical theory is employed for the investigation on the PPy corrosion failure process so as to understand its corrosion mechanism from a completely new perspective. The results of this work will provide theoretical support for the improvement of PPy stability and will also lay a foundation for the application of corrosion electrochemical theory and methods to the study on the corrosion and protection of conductive polymers, so it has important theoretical and practical significance.

导电聚吡咯（PPy）具有类似金属材料的导电性和电化学活性，是目前世界上研究和应用最为广泛的导电高分子材料之一。但在使用环境中的腐蚀失效问题是其应用面临的主要困难和挑战。最新研究表明，在一些电解质环境，PPy的腐蚀过程中电化学机制比化学机制起更重要的作用。本课题拟从腐蚀电化学角度，研究电解质溶液中PPy表面腐蚀原电池的形成和持续条件；研究腐蚀电化学机制对PPy腐蚀过程的作用效果、作用机理及其腐蚀动力学规律；研究材料状态、介质环境和电化学极化等因素对PPy腐蚀电化学机制及其动力学规律的影响；探索PPy材料腐蚀电化学机制相对于金属材料的差异性和独特性。本研究将腐蚀电化学机制引入导电PPy材料的腐蚀过程研究，从一个全新的视角来认识其腐蚀机理。研究成果将为寻找改善PPy材料稳定性的方法提供理论支持，同时将腐蚀电化学理论与方法的应用领域拓展到导电高分子材料的腐蚀与防护研究，具有重要的理论与实际意义。

导电聚吡咯（PPy）具有类似金属材料的导电性和电化学活性，是目前世界上研究和应用最为广泛的导电高分子材料之一。但在使用环境中的腐蚀失效问题是其应用面临的主要困难和挑战。目前PPy的腐蚀机理并不清楚，特别是对PPy腐蚀过程中电化学机制的研究被忽视。本项目从腐蚀电化学角度，研究了电解质溶液中PPy表面腐蚀原电池的形成和持续条件；研究了腐蚀电化学机制对PPy腐蚀过程的作用效果和机理；研究了PPy的腐蚀动力学规律以及材料状态（独立膜、膜厚、掺杂离子等）、介质环境（介质类型、浓度、pH、DO、T等）和极化条件等因素对PPy腐蚀动力学规律的影响；研究了PPy的腐蚀动力学模型；探索了PPy腐蚀电化学机制相对于金属材料的差异性和独特性。研究结果表明，各种电解质溶液中阳极极化电位和极化时间都对PPy腐蚀有显著影响，大掺杂离子（PSS-，pTS-等）只是在低阳极极化电位时对PPy的腐蚀有抑制作用。PPy膜的不均匀结构导致其表面和内部可以形成各种腐蚀电池，其中氧浓差腐蚀电池可产生强烈的加速腐蚀作用，是含氧电解质中PPy的主要电化学腐蚀过程。建立了PPy腐蚀速率和速率常数的表达式，以及评价PPy腐蚀动力学行为的方法。理论推导结合实验结果证明了PPy腐蚀过程中化学与电化学作用的一级动力学规律，以及二者之间的相互促进作用。介质浓度、温度、膜厚、掺杂离子、膜的状态（独立膜）等因素不会影响PPy腐蚀动力学的总体规律，但会影响其腐蚀动力学参数。初步建立了PPy腐蚀动力学模型，以及PPy腐蚀行为与其腐蚀状态之间的内在联系。基本明确了PPy腐蚀电化学机制与金属材料腐蚀电化学机制之间存在的差异性和独特性。本研究将腐蚀电化学机制引入导电PPy材料的腐蚀过程研究，从一个全新的视角来认识其腐蚀机理。研究成果为选择合适的方法来抑制PPy腐蚀提供了理论基础。对于指导PPy的实际应用、寻找改善PPy稳定性的方法、建立PPy腐蚀状态评估与预测模型，以及对于其他导电高分子材料的腐蚀机理研究，都具有重要的借鉴意义。